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문제 정의
- 건축물의 전 생애평가(LCA)는 건설단계, 운영단계, 유지 및 관리단계, 해체 및 폐기단계로 구분되는 건축물 라이프사이클 동안의 모든 공정 및 활동들을 포함하며, 정량적인 건축물의 환경부하량을 산출하기 위한 도구로 사용된다. 또한, 지속가능한 개발을 위하여 각 단계별로 자원, 에너지소비 및 CO2 배출량 등을 최소화하는 개선점 도출을 전 생애평가의 궁극적인 목적으로 한다.
- 본 연구에서는 설계초기단계에서부터 내구수명 산정기법을 적용하여 철근 콘크리트 구조물의 목표내구수명과 목표 LCCO2 저감량을 만족하는 구조물의 친환경 내구설계조건을 제안하는 시스템 개발을 목적으로 연구를 실시하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 염해 환경에 노출된 공동주택을 대상으로 친환경 내구설계 시스템의 평가 사례 분석을 실시하였다. 건축물의 건설 지역, 용도, 연면적, 층수, 해안선으로부터의 거리를 입력한후 대상건축물의 목표내구수명을 80년, 목표 LCCO2 저감율을 표준 건축물 대비 40%로 지정한다.
- 현재 국내에서 연구되고 있는 전 과정CO2 (이하 LCCO2) 평가 방식은 실시설계 이후에 산정된 투입물량을 직접 입력하는 방식으로 LCCO2를 산정하고 있어 평가를 위해 많은 시간과 노력이 요구 되며, LCCO2 배출량 평가시 실시설계 수준의 도면정보 등이 필요하기 때문에 실질적인 환경부하 저감을 위한 설계변경은 어려운 실정이다. 이에 본 연구는 설계초기단계에서부터 내구수명 산정기법을 적용하여 철근 콘크리트 구조물의 목표내구수명과 목표 LCCO2 저감량을 만족하는 구조물의 친환경 내구설계조건을 제안하는 시스템 개발을 목적으로 한다.
가설 설정
- 6) 여기서의 건축물의 수명은 재료의 노후화를 수반한 건축물의 물리적인 내구수명을 의미하며 철근의 부식발생시점을 내구한계상태로 설정하였다.
제안 방법
- 1. 친환경 주택건설의 건설 기준 및 성능에서 제시된 공동주택 평면을 기준으로 CO2 배출 주요 자재를 선정하고 건물에너지효율등급인증제도의 난방부하 산정방식을 통한 LCCO2 평가기법과 철근콘크리트 구조물의 내구성 설계 개념을 접목한 친환경 내구설계 시스템을 제안하였다.
- 배출량의 종합적인 평가를 위해 한국콘크리트학회에서 제시하고 있는 내구수명 산정방식을 통해 내구수명을 산정하였고 열화환경은 염해로 한정하였다. CO2 배출량 평가는 최근 주요 논점으로 부각되고 있는 건축물의 전 생애주기 관점에서 평가하였고, 이를 위해 건축물의 Life Cycle을 건설단계, 운영단계, 유지관리단계, 해체/폐기단계로 구분하였다. 건설단계는 건축공사에 사용되는 건설자재 중 CO2 배출량에 영향을 미치는 주요건설자재를 대상으로 평가하였고, 운영단계는 난방부하 배출량에 영향을 미치는 주요변수인 창호와 단열재를 대상으로 건물에너지효율등급 인증제도에서 채택하고 있는 가변난방 도일법을 적용하여 난방부하 에너지 소비량을 산정하여 내구수명에 따른 LCCO2 배출량을 평가하는 친환경 내구 설계 평가 시스템을 제안하였다.
- 건물에너지 효율등급 프로그램을 이용하여 단위세대 열손실 및 열취득량을 통한 에너지소비량을 산정했다. 건물의 난방에너지 소요량을 건축물의 수명동안 건축물 난방 방식에 따른 연료별 총 에너지사용량을 산출하고 IPCC의 연료별 탄소배출계수를 이용하여 CO2 배출량을 산정하였다.
- 건물에너지효율등급인증제도를 이용하여 80년간의 에너지사용량과 그에 따른 이산화탄소 배출량을 산정한다.
- 건물에너지 효율등급 프로그램을 이용하여 단위세대 열손실 및 열취득량을 통한 에너지소비량을 산정했다. 건물의 난방에너지 소요량을 건축물의 수명동안 건축물 난방 방식에 따른 연료별 총 에너지사용량을 산출하고 IPCC의 연료별 탄소배출계수를 이용하여 CO2 배출량을 산정하였다.
- CO2 배출량 평가는 최근 주요 논점으로 부각되고 있는 건축물의 전 생애주기 관점에서 평가하였고, 이를 위해 건축물의 Life Cycle을 건설단계, 운영단계, 유지관리단계, 해체/폐기단계로 구분하였다. 건설단계는 건축공사에 사용되는 건설자재 중 CO2 배출량에 영향을 미치는 주요건설자재를 대상으로 평가하였고, 운영단계는 난방부하 배출량에 영향을 미치는 주요변수인 창호와 단열재를 대상으로 건물에너지효율등급 인증제도에서 채택하고 있는 가변난방 도일법을 적용하여 난방부하 에너지 소비량을 산정하여 내구수명에 따른 LCCO2 배출량을 평가하는 친환경 내구 설계 평가 시스템을 제안하였다.
- 건축표준품셈을 이용하여 해체단계에서의 에너지 사용량을 이용하여 이산화탄소 배출량을 산정하였다. 폐기단계의 투입운송차량은 16ton트럭으로 설정하였고 에너지원은 경유로, 연비는 2.
- 콘크리트 압축강도는 단위 시멘트량이나 물-결합재비와 매우 밀접한 상관성이 있어 이들 요인의 측정결과로 콘크리트의 압축강도를 추정할 수 있다. 구조부재의 강도를 고려한 염화물 확산계수를 산정하기 위하여 사용된 콘크리트의 강도에 따른 배합표상의 W/B자료를 이용하여야 하나, 본 연구에서는 콘크리트 표준시방서10)의 물결합재비에 따른 콘크리트 강도 추정식을 사용하여 강도에 따른 W/B를 사용하여 염화물 확산계수를 산정하였다.
- 또한, 강도가 변경된 콘크리트의 적용은 수직부재의 단면을 변화시키며 이로 인한 구조 부재의 투입물량 변화를 유발하게 된다. 기존의 문헌11)을 이용하여 강도 변경에 따른 수직부재의 콘크리트 및 철근의 자재 절감률을 산정하고 이러한 자재 저감이 건축물의 LCCO2에 미치는 영향을 평가 할 수 있도록 하였다. 표 4는 표준공동주택의 W/B별 물량 저감률을 나타낸다.
- 배출 비율이 많은 6가지의 대표물량(철근 및 봉강, 레미콘, 합판, 콘크리트제품, 산업용 플라스틱제품, 도료)을 선정하였다. 내구 설계의 대상이 되는 구조체의 물량을 앞에서 선정한 주요자재를 바탕으로 기본설계 단계에서 자동물량산출방식에 의한 평가를 위해 친환경 주택건설의 건설 기준 및 성능에서 채택한 5가지 면적의 표준주택 도면을 근거로 공동주택에 일반적으로 적용되는 사항을 적용하여 6가지의 주요자재의 물량산출을 하였으며 2009년 건축공사 일위대가12)를 적용하여 총 71가지 세부자재의 물량산출내역을 표 5와 같은 공동주택의 형태별로 데이터베이스를 구축하였다. CO2배출 원단위는 2003년 산업연관표13)를 이용하였고 기존의 문헌14)에 근거하여 콘크리트 강도에 따른 CO2원단위 변동을 고려한 자재생산단계의 CO2 배출량을 산정하였다.
- 내구설계 조건에 따른 건설단계의 CO2 배출량을 산정 하였다. 자재생산단계에서 표준공동주택의CO2 배출량은 1576.
- 넷째, 친환경 주택건설의 건설 기준 및 성능과 건물에너지효율등급인증제도의 표준건축물을 이용하여 건축물의 형태에 따른 LCCO2 배출량을 평가한다.
- 다섯째, 목표내구수명과 LCCO2 저감량을 만족하는 친환경내구설계 조건을 제안한다.
- 둘째, 건축물의 전 생애주기를 건설단계, 운영단계, 유지관리단계, 해체/폐기단계로 구분하여 각 단계별의 CO2 배출량을 평가한다.
- 이는 가변난방 도일법에 기초하여 난방부하 에너지 소요량을 계산하여 신청주택의 각 세대와 표준주택에 대한 에너지 소요량을 산출하고, 단위세대 및 단위공동주택의 가산항목에 해당 하는 절감률을 추가하여 효율등급을 평가한다. 본 연구에서는 난방부하 배출량의 주요 변수인 건축물의 창호와 단열재의 종류에 따라 창호 3종류, 외벽의 구성조합 3종류를 채택하여 9가지의 사양에 따른 난방부하 에너지 사용량을 산정하였다. 건축물의 창호종류와 외벽 사양에 따른 열관류율은 에너지절약설계기준의 단열재 등급분류에 따라 구분하였다.
- 본 연구에서는 내구설계조건에 따른 건축물의 수명산정과 CO2배출량의 종합적인 평가를 위해 한국콘크리트학회에서 제시하고 있는 내구수명 산정방식을 통해 내구수명을 산정하였고 열화환경은 염해로 한정하였다. CO2 배출량 평가는 최근 주요 논점으로 부각되고 있는 건축물의 전 생애주기 관점에서 평가하였고, 이를 위해 건축물의 Life Cycle을 건설단계, 운영단계, 유지관리단계, 해체/폐기단계로 구분하였다.
- 셋째, 내구설계조건에 따른 건축물의 내구수명과 LCCO2 배출량과의 상관관계를 분석한다.
- 여기서 ED는 경유사용량[ℓ], EG는 휘발유사용량[ℓ], EE는 전력사용량[kWh], Af는 건축물의 연면적[㎡]을 나타내며 각 에너지사용량은 본 연구에서 제안한 데이터베이스를 이용하여 식 9과 같이 CO2 배출량을 산출하였다.
- (국토해양부고시 제2009-1306호)에서 제시하고 있는 난방에너지 소비량 산출결과를 사용하였다. 이는 가변난방 도일법에 기초하여 난방부하 에너지 소요량을 계산하여 신청주택의 각 세대와 표준주택에 대한 에너지 소요량을 산출하고, 단위세대 및 단위공동주택의 가산항목에 해당 하는 절감률을 추가하여 효율등급을 평가한다. 본 연구에서는 난방부하 배출량의 주요 변수인 건축물의 창호와 단열재의 종류에 따라 창호 3종류, 외벽의 구성조합 3종류를 채택하여 9가지의 사양에 따른 난방부하 에너지 사용량을 산정하였다.
- 하지만 에너지 사용 시점과 그 실측데이터 등은 정확하게 수집하기가 매우 어렵다. 이에 기존의 연구를 이용하여 건축물의 단위 면적 당 유지관리 비용을 산정하고 여기에 금액 당 환경부하 원단위를 곱하여 산정하는 방식을 이용하였다.16) 또한 건축물의 수명이 다하여 건축물의 유지 및 보수단계의 CO2 배출량을 재건축시 발생하는 CO2 량으로 대체하였다.
- 저감률을 설정한다. 전 생애주기 평가는 건설단계, 운영단계, 유지관리단계, 해체폐기단계로 평가를 진행하여 평가 대상의 친환경 내구설계 조건을 제안한다. CO2배출 원단위는 2003년 산업연관표와 IPCC에서 제시한 탄소배출계수를 이용하였다.
- 창호의 종류와 외벽의 조합에 따른 열손실 및 열취득량을 이용하여 난방에너지소요량을 산출하였다. 표준공동주택과 평가공동주택의 난방방식은 개별난방으로 설정하였으며 에너지원은 천연가스(LNG)를 적용하였다.
- 첫째, 한국콘크리트학회의 염해에 대한 내구설계기법을 이용하여 건축물의 해안으로 부터의 거리, 물-시멘트비, 철근의 피복 두께에 따른 내구수명 데이터베이스를 구축한다.
- 3 kg-CO2/m2로 평가되었다. 평가 공동주택의 경우 내구수명 80년을 만족시키지 못하기 때문에 자재생산단계, 운송단계, 시공단계, 해체 및 폐기단계의 CO2배출량을 각각 1회씩 가산하여 평가하였다. 표준건축물의 유지 및 보수단계의 CO2 배출량은 1.
- 폐기단계에서의 폐기물 배출량과 운송차량 용량, 거리, 연비를 이용하여 발생하는 에너지를 이용하여 이산화탄소 배출량을 산정하였다.
- 창호의 종류와 외벽의 조합에 따른 열손실 및 열취득량을 이용하여 난방에너지소요량을 산출하였다. 표준공동주택과 평가공동주택의 난방방식은 개별난방으로 설정하였으며 에너지원은 천연가스(LNG)를 적용하였다. IPCC 에서 제시된 천연액화가스의 탄소배출계수 15.
대상 데이터
- KCI 내구수명 산출기법과 관련하여 구축된 데이터에서는 해안선과의 거리 250m에 대해 목표 내구수명을 만족 하는 데이터를 추출한다. 초기염화물 이온량은 0kg/m3으로 설정하였고 내구설계 대상 부재는 구조체는 균열발생이 없는 건전한 콘크리트 구조체로 공동주택의 외벽을 대상으로 하였다.
- 내구수명 산정 대상은 공동주택의 외벽으로 설정하고 열화 환경은 염해를 대상으로 하였다. 염해에 대한 허용 가능한 성능저하 상태는 철근부식이 발생하지 않는 것을 기본으로 하여 KCI9)의 내구성 평가기법을 근거로 평가하였다.
- 운영단계는 에너지관리공단의 건물에너지효율인증제도15)(국토해양부고시 제2009-1306호)에서 제시하고 있는 난방에너지 소비량 산출결과를 사용하였다. 이는 가변난방 도일법에 기초하여 난방부하 에너지 소요량을 계산하여 신청주택의 각 세대와 표준주택에 대한 에너지 소요량을 산출하고, 단위세대 및 단위공동주택의 가산항목에 해당 하는 절감률을 추가하여 효율등급을 평가한다.
- 주요자재 선정을 위해 산업연관분석의 CO2 원단위를 이용하여 CO2 배출 비율이 많은 6가지의 대표물량(철근 및 봉강, 레미콘, 합판, 콘크리트제품, 산업용 플라스틱제품, 도료)을 선정하였다. 내구 설계의 대상이 되는 구조체의 물량을 앞에서 선정한 주요자재를 바탕으로 기본설계 단계에서 자동물량산출방식에 의한 평가를 위해 친환경 주택건설의 건설 기준 및 성능에서 채택한 5가지 면적의 표준주택 도면을 근거로 공동주택에 일반적으로 적용되는 사항을 적용하여 6가지의 주요자재의 물량산출을 하였으며 2009년 건축공사 일위대가12)를 적용하여 총 71가지 세부자재의 물량산출내역을 표 5와 같은 공동주택의 형태별로 데이터베이스를 구축하였다.
- KCI 내구수명 산출기법과 관련하여 구축된 데이터에서는 해안선과의 거리 250m에 대해 목표 내구수명을 만족 하는 데이터를 추출한다. 초기염화물 이온량은 0kg/m3으로 설정하였고 내구설계 대상 부재는 구조체는 균열발생이 없는 건전한 콘크리트 구조체로 공동주택의 외벽을 대상으로 하였다. 물-결합재비와 피복두께 별 철근의 발청한계 염화물 이온량 1.
- 건축표준품셈을 이용하여 해체단계에서의 에너지 사용량을 이용하여 이산화탄소 배출량을 산정하였다. 폐기단계의 투입운송차량은 16ton트럭으로 설정하였고 에너지원은 경유로, 연비는 2.74(km/ℓ)로 설정하고 운송편도거리는 30km으로 설정하여 평가하였다.
이론/모형
- 내구 설계의 대상이 되는 구조체의 물량을 앞에서 선정한 주요자재를 바탕으로 기본설계 단계에서 자동물량산출방식에 의한 평가를 위해 친환경 주택건설의 건설 기준 및 성능에서 채택한 5가지 면적의 표준주택 도면을 근거로 공동주택에 일반적으로 적용되는 사항을 적용하여 6가지의 주요자재의 물량산출을 하였으며 2009년 건축공사 일위대가12)를 적용하여 총 71가지 세부자재의 물량산출내역을 표 5와 같은 공동주택의 형태별로 데이터베이스를 구축하였다. CO2배출 원단위는 2003년 산업연관표13)를 이용하였고 기존의 문헌14)에 근거하여 콘크리트 강도에 따른 CO2원단위 변동을 고려한 자재생산단계의 CO2 배출량을 산정하였다.
- 전 생애주기 평가는 건설단계, 운영단계, 유지관리단계, 해체폐기단계로 평가를 진행하여 평가 대상의 친환경 내구설계 조건을 제안한다. CO2배출 원단위는 2003년 산업연관표와 IPCC에서 제시한 탄소배출계수를 이용하였다. 친환경 내구설계 프로세스는 그림1과 같다.
- 본 연구에서는 난방부하 배출량의 주요 변수인 건축물의 창호와 단열재의 종류에 따라 창호 3종류, 외벽의 구성조합 3종류를 채택하여 9가지의 사양에 따른 난방부하 에너지 사용량을 산정하였다. 건축물의 창호종류와 외벽 사양에 따른 열관류율은 에너지절약설계기준의 단열재 등급분류에 따라 구분하였다.
- 내구수명 산정 대상은 공동주택의 외벽으로 설정하고 열화 환경은 염해를 대상으로 하였다. 염해에 대한 허용 가능한 성능저하 상태는 철근부식이 발생하지 않는 것을 기본으로 하여 KCI9)의 내구성 평가기법을 근거로 평가하였다. 외벽의 내구설계시 염화물이온에 의한 한계 상태의 예측은 식(1)을 이용하였다.
- 평형별 면적선정 기준은 2009년 10월 국토해양부 고시된 "친환경 주택건설의 건설 기준 및 성능"에서 제시하고 있는 다섯가지 종류의 평면을 기준으로 주동 형식, 층수를 조합하였으며7), 벽체와 창호의 열관류율은 “건축물의 설비기준 등에 관한 규칙”에 의한 “지역별 건축물부위의 열관류율표”의 기준8)을 이용하였다.
- 해체단계에서는 폐기물배출량과 면적을 이용하여 이산화탄소 배출량을 산정하였다. 폐기물배출량산출은 건설공사 표준품셈17)의 RC구조물의 단위면적당 폐기물 배출량을 이용하였다.
성능/효과
- 2003년에는 Web 기반의 Envest2가 개발되었다.2)호주의 LISA는 다양한 자재의 LCI DB를 활용하여 건축자재생산 부분에 대한 분석성이 좋으며 단순한 입력방식으로 평가 소요시간이 적게 투입된다. 일본의 GEM-21P는 시미즈 건설의 자사 건축물에 대해서 환경부하 저감을 목적으로 개발되었으며, 자사의 실적 건축물의 통계데이터를 활용하여 단위면적당 에너지 투입량을 추계하는 방식으로 계획 초기 단계에서 복수의 에너지절감 대안에 대해서 검토가 가능하다.
- 2. 내구설계를 통해 강도가 높아진 평가 공동주택은 표준 공동주택과 비교하여 건설단계에서 CO2 배출량이 6.3% 저감하는 효과가 있었다.
- 3. 창호와 단열재 조합변경을 통해 평가 공동주택은 표준 공동주택과 비교하여 운영단계에서 CO2 배출량이 40.2% 저감하는 결과를 얻었다.
- SUSB-LCA의 입력방식은 건축자재, 에너지 사용량 직접 입력방식, 추계모델식을 채택하고 있으며 에너지, 탄소배출량, 비용 분석 및 친환경요소기술을 적용한 경우와의 케이스 비교가 가능 평가 프로그램으로 실시설계단계에서 평가가 가능하다.4) 삼성물산의 Eco-pia 역시 LCCO2, LCE, LCC의 평가가 가능하다. CO2원단위는 산업연관분석법을 이용하였고 지속적인 LCI DB의 보완이 이루어질 수 있도록 구성되어 있으며 실시설계단계에서 평가 가능하다.
- 4. 내구설계 평가 사례를 대상으로 목표 내구수명 80년을 만족하는 친환경 내구설계 기법을 평가하여 LCCO2 배출량이 약 40%절감되는 사양 17 종류의 설계조건을 제안하였다.
- 5. 최대 LCCO2 절감량을 가지는 친환경 내구설계사양은 W/B는 40%, 피복두께40mm, 창호-외벽을 ‘3-다’ 조합인 경우로 평가되었으며 이때 LCCO2 절감량은 47.2%으로 분석되었다.
- 2kg/m3을 초과하지 않는 내구설계 조건을 분석한 결과 표 7과 같이 분석 되었다. OPC의 경우 W/B와 피복두께는 40%, 60mm일 때 만족하였고, 고로시멘트의 경우 W/B와 피복두께는 55%, 60mm인 경우와 50%, 60mm인 경우, 45%, 50mm 이상, 40%, 40mm 이상인 경우 등 8가지조건에서 내구수명 80년을 만족하는 것으로 분석 되었다.
- 5. 최대 LCCO2 절감량을 가지는 친환경 내구설계사양은 W/B는 40%, 피복두께40mm, 창호-외벽을 ‘3-다’ 조합인 경우로 평가되었으며 이때 LCCO2 절감량은 47.2%으로 분석되었다.
- 2 kg-CO2/m2이다. 친환경 내구설계 평가 결과, 그림3과 같이 내구수명을 만족하는 36종류의 설계조건 중 17종류 설계 조건이 목표 LCCO2 저감률 40%을 만족하는 것으로 평가되었다.
- 5kg-CO2/m2으로 분석 되었다. 친환경설계안, 즉 내구설계 조건에 따라 고강도 콘크리트로 대체하여 발생된 투입물량 변화율, 콘크리트 CO2 원단위를 적용하여 평가한 결과 자재생산단계의 CO2배출량이 최대 6.3% 절감이 되는 것으로 분석되었다. 콘크리트의 CO2 절감률은 강도 변화에 따른 수직부재물량과 CO2 원단위의 증감수치가 상쇄되어 3.
- 3% 절감이 되는 것으로 분석되었다. 콘크리트의 CO2 절감률은 강도 변화에 따른 수직부재물량과 CO2 원단위의 증감수치가 상쇄되어 3.2% 저감되는 것으로 분석되었고, 철근의 경우는 콘크리트의 강도변화에 따른 수직부재 물량 저감만이 고려되어 8.8%의 CO2 절감률을 나타냈다.
- 평가 결과 해체 및 폐기단계에서 이산화탄소 배출량은 106.6kg-CO2/m2로 평가되었다.
후속연구
- 1993년에 CIB·RILEM의 지원을 전제로 TC59/ SC13/WG9(Service Life Design)를 신설하여 내구 설계에 관한 새로운 ISO 규격을 작성하였다. 이후 TC98/SC2에서 국제표준 제정안 ISO 13823:2008 (내구성을 갖춘 건축물 설계를 위한 기본원칙)을 발표하여 내구성을 확보하는 절차를 권고하고 있으며 앞으로 LCA, 유지보전 등에 관한 규격을 제정하기 위해 연구를 계속 진행하고 있다.
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